ЛОПАСТЬ ВИНТА И ЕЕ КОМЕЛЬ Российский патент 1999 года по МПК B64C11/26 B64C27/46 

Изобретения относятся к авиационной технике, в частности, к конструкциям винтов с лопастями из композиционных материалов.

Известна лопасть винта, в которой лонжерон содержит множество тонких слоев, состоящих из волокон с высоким модулем упругости (2,11•10⁶ кгс/см²). Волокна уложены параллельно продольной оси лонжерона и скреплены между собой, например, эпоксидной смолой. Лонжерон имеет отношение модуля изгиба к модулю сдвига не менее 15/1.

Крыловидный профиль выполнен так же, как лонжерон, но волокна в нем ориентированы так, чтобы обеспечить соотношение упомянутых величин от 2/10 до 10/7 (Патент Великобритании N 1314308, кл. B 64 C 27/32, 1972).

Недостатком данной конструкции является то, что цикл ее нагружения будет знакопеременным, что существенно снижает усталостную прочность конструкции, а, следовательно, уменьшает прочностной ресурс винта и снижает надежность его работы.

Известна лопасть его несущего винта, содержащая перо и комель, причем перо представляет собой замкнутую оболочку и лонжерон. Оболочка выполнена в виде контура из слоев однонаправленных высокомодульных волокон. Законцовка лопасти длиной от 0,16 всей длины лопасти выполнена с постоянной хордой, без геометрической крутки, с положительной саблевидностью, угол которой составляет κ = 20^o.

Аэродинамические профили пера законцовки имеют относительные толщины от = 12% в начале законцовки до = 6% на ее конце.

Кривизна средних линий профилей выбрана такой, чтобы коэффициент подъемной силы сечений законцовки составлял C_y = 0,15 (Патент Великобритании N 1331025, B 64 C 27/46, B 7 W, 1973).

Лопасть такой геометрии имеет следующие недостатки:
Заявленная лопасть решает проблемы вертолетных винтов. Окружные скорости лопастей воздушных винтов, как и скорости полета винтовых самолетов, существенно выше вертолетных.

Величина заявленных параметров - угла стреловидности законцовки лопасти ( κ = 20^o), относительные размеры участка лопасти, на котором эти параметры реализованы - всего 6%l_лоп. - не в состоянии решить проблем, в том числе проблем ресурса лопастей воздушных винтов самолетов.

Известно, что по мере приближения к режимам флаттера аэродинамическое демпфирование лопасти уменьшается, что вызывает рост амплитуд как резонансных, так и вынужденных колебаний лопасти. Это в свою очередь вызывает рост уровня переменных напряжений в ее конструкции, что в конечном счете резко снижает ресурс лопастей, а следовательно, и всего винта.

Известен комель с наружной резьбой, с внутренней металлической гильзой с коническим участком и армирующими элементами (Патент США N 4302155 кл. B 64 C 11/26, 1979).

Недостатками такого комля являются:
- низкая прочность комля лопасти из-за наличия скачков напряжений в месте сопряжения металлической гильзы с композиционным материалом;
- большой вес из-за нерациональной по форме и массе металлической гильзы с буртом;
- недостаточная стойкость комля лопасти на фреттинг-коррозию из-за отсутствия защитного антифреттингового покрытия;
- недостаточная выносливость комля лопасти из композиционного материала в связи с возможностью повреждения слоев армирующего наполнителя при выполнении конического рабочего профиля резьбы.

Известен комель с наружной резьбой с внутренней металлической гильзой с коническим участком и армирующими элементами. Металлическая гильза выполнена с конической наружной поверхностью, с внутренним резьбовым буртиком и внешним фланцем. Коническая наружная гильза и фланец сопрягаются с композиционным разрезным конусом посредством слоев стеклоткани с углом наружной поверхности конуса не меньше угла наклона рабочего профиля резьбы комля на 2 - 8^o.

Армировка выполнена в виде сегментных элементов из композиционного материала с угловым армированием, равномерным разнесением стыков в окружном направлении и расположением их в зоне резьбы комля между слоями стеклоткани с уменьшением их количества в сечениях комля в направлении наиболее нагруженного близлежащего к перу витка резьбы. При этом слои стеклоткани за пределами сегментных элементов выполнены с чередованием со слоями стекложгутов окружной намотки, на комель нанесено полимерное антифреттинговое покрытие. Часть слоев стеклоткани подкреплена слоями углеродного наполнителя с одинаковым углом армирования. Сегментные элементы выполнены двойными и размещены между спаренными слоями стеклоткани (Патент РФ N 2040432, кл. B 64 C 11/26, 1995).

Недостатком описанного комля является низкая усталостная прочность в связи с тем, что первые витки резьбы, воспринимающие 60 - 70% всей нагрузки на перо, имеют структуру композиционного материала, работающего на межслоевой сдвиг. Разрушающие напряжения при межслоевом сдвиге в слоистом композиционном материале на порядок меньше, чем при растяжении или сжатии этого материала. Последние витки резьбы, расположенные на конце комля, воспринимают 10 - 20% всей нагрузки на перо, однако они усилены сегментными элементами и разрушающие напряжения в них в несколько раз выше, чем в первых витках.

Кроме того, конструкция комля предполагает поперечную подмотку уложенных слоев. Однако перед подмоткой эти слои необходимо подпрессовать (до заданной толщины монослоя), а затем вручную осуществить подмотку, потом положить следующий слой и повторить операции. Это существенно усложняет изготовление комля.

Задачей предлагаемых изобретений является увеличение прочностного ресурса и повышение надежности.

Эта задача решается в лопасти винта за счет того, что лопасть винта содержит перо и комель, выполненные из композиционного материала. Перо представляет собой замкнутую оболочку, внутри которой размещен лонжерон.

Отличием от прототипа является то, что волокна композиционного материала оболочки уложены послойно под углом ± 20 - 44^o к продольной оси лопасти. Относительное удлинение оболочки составляет λ 2,9 - 5,5.

Аэродинамические профили сечений пера лопасти, начиная с относительного радиуса лопасти = 0,3, имеют толщины C < 0,12b_лоп., где b_лоп. - ширина лопасти в данном сечении, до относительного радиуса = 0,7 толщина плавно доходит до C = 0,03 - 0,008 от ширины лопасти в этом сечении. Угол саблевидности пера по передней кромке лопасти на относительном радиусе = 0,7 равен κ = 35 - 42^o.

Модуль упругости композиционного материала заполнителя, размещенного в полостях оболочки, составляет E < 2000 кгс/мм².

Площадь поперечного сечения лонжерона F_iлонж. в пере между относительными радиусами лопасти = (0,25 - 0,8)
F_iлонж. = (0,52 - 0,88)l_i (мм²),
где l_i - длина отсека пера в мм от данного сечения до конца лопасти.

Ширина лонжерона в корневой части пера составляет b_лонж. = (0,45 ± 0,005)b_лоп., а на относительном радиусе = 0,7b_лонж. = (0,33 ± 0,05)b_лоп..

Задача в комле решается за счет того, что комель содержит оболочку, внутри которой расположен заполнитель, выполненный из композиционного материала. Оболочка имеет винтовую нарезку. Слои волокон композиционного материала расположены эквидистантно профилю нарезки, имеющей от 4 до 5 витков, шаг которых составляет от 0,16 до 0,29 диаметра комля. Угол профиля впадины нарезки составляет от 90 до 120^o, а радиус закругления вершин и впадин профиля нарезки равен 0,11 - 0,14 шага нарезки.

Внешняя поверхность оболочки на участке нарезки содержит слои высокопрочной резины.

На фиг. 1 представлен общий вид лопасти; на фиг. 2 - сечение "А-А" фиг. 1; на фиг. 3 - сечение "Б-Б" фиг. 1. На фиг. 4 показан комель лопасти.

Лопасть (фиг. 1 - 3) состоит из пера 1 и комля 2. Перо 1 представляет собой замкнутую оболочку 3, внутри которой расположен лонжерон 4. Оболочка выполнена из слоев однонаправленных волокон с E > 9000 кгс/мм², соединенных связующим. Волокна чередуются послойно под углами укладки ± 20 - 44^o к направлению продольной оси лопасти, т. е. если в одном слое волокна уложены, например, под углом +20^o, то в следующем слое - под углом -20^o.

Толщина стенок оболочки δⁱ в каждом сечении составляет 10 - 20% от наибольшей толщины профиля пера Cⁱ в i-ом сечении, т.е. δⁱ = (0,1 - 0,2)Cⁱ. Относительное удлинение оболочки λ_об. = l_об./b_max = 2,9 - 5,5. Аэродинамические профили сечений пера, начиная с относительного радиуса лопасти = 0,3, имеют толщины C < 0,12 b_лоп., до относительного радиуса = 0,7 толщина плавно уменьшается до C = 0,03 ± 0,008 от ширины лопасти в этом сечении.

Угол саблевидности κ по передней кромке на относительном радиусе = 0,7 равен = 35 - 42^o.

Лонжерон выполнен в виде плоской сплошной балки переменного сечения, набранной из композиционного материала из слоев однонаправленных высокомодульных и высокопрочных волокон с E > 9000 кгс/мм² и σ_в > 180 кгс/мм², выложенных вдоль передней кромки лонжерона. Площадь поперечного сечения лонжерона в каждом сечении пера между относительными радиусами лопасти = (0,25 - 0,8) ± 5% составляет F_iлонж. = (0,52 - 0,88)l_i (мм²), где l_i - длина отсека пера в мм от данного сечения до конца лопасти, а b_iлонж. - ширина лонжерона в мм в этом сечении.

Ширина лонжерона в корневой части пера b_лонж. = (0,45 ± 0,05)b_лоп., где b_лоп. - ширина лопасти в данном сечении, а на относительном радиусе лопасти = 0,7 b_лонж. = (0,33 ± 0,05)b_лоп..

В носике пера между оболочкой 3 и лонжероном 4 помещен заполнитель 5 из композиционного материала плотностью γ ~1,3 - 1,9 г/см³. В полость внутри оболочки за лонжероном помещен заполнитель 6 из композиционного материала плотностью γ ~0,1 ± 3% г/см³. Модуль упругости этого композиционного материала при растяжении вдоль продольной оси пера не превышает значения E_max = 2000 кгс/мм².

В корневой части лопасти (фиг. 4) плоский лонжерон 4 плавно переходит в комель 2, соединяющий лонжерон 4 с гильзой втулки винта.

Комель 2 лопасти (фиг. 4) содержит оболочку 7, внутри которой расположен заполнитель 8.

На оболочке 7 имеется винтовая нарезка 9, состоящая из 4 - 5 витков, шаг t которых составляет от 0,16 до 0,29 диаметра комля. Угол профиля впадины нарезки составляет от 90 до 120^o, а радиус закругления r вершин и впадин профиля нарезки равен от 0,11 до 0,14 шага нарезки t. Угол подъема винтовой нарезки не менее, чем на 2^o меньше угла самоторможения для материала винтовой пары комель-стакан втулки винта.

Композиционный материал оболочки 7 комля выполнен из слоев волокон, уложенных эквидистантно профилю винтовой нарезки, а внешняя поверхность оболочки 7 на участке нарезки содержит слой высокопрочной резины 10.

Работа лопасти заключается в следующем:
При работе винта оболочка 3 пера 1 воспринимает аэродинамические и массовые силы, приходящиеся на нее, и передает их лонжерону 4, который, воспринимая эти силы, а также силы инерции самого лонжерона, передает их через комель 2 на втулку винта. Одновременно оболочка 3 обеспечивает необходимую лопасти жесткость кручения, чтобы предотвратить возможность возникновения срывного и классического флаттеров.

Работа комля 2 заключается в том, что все силы и моменты, воспринимаемые лопастью, передаются через корневую часть лонжерона пера на оболочку 7 комля 2.

Оболочка 7 через витки винтовой нарезки 9, покрытые высокопрочной резиной 10, передает эти силы и моменты стакану втулки винта и валу двигателя самолета.

В настоящий период изготовлены рабочие чертежи лопасти, проведены испытания узлов конструкций на прочность. Выполнены аэродинамические испытания на прочность винта с предлагаемой лопастью.

Предлагаемая конструкция пера позволяет (в диапазоне эксплуатационных нагрузок на винт) избежать проявления знакопеременных напряжений в силовых элементах конструкции пера, что в несколько раз повышает усталостную прочность, а следовательно, и ресурс лопастей, выполненных из полимерных композиционных материалов, у которых цикл нагружения лопастей знакопеременный.

Предлагаемая конструкция комля увеличивает усталостную прочность узла крепления лопастей, выполненных из композиционных материалов, и одновременно существенно упрощает технологию изготовления таких узлов в 2-3 раза, что в конечном счете приводит к существенному снижению стоимости изготовления лопастей.

Кроме того, предложенные конструкции увеличивают значение M_крит. лопасти, что снижает шум, генерируемый винтом, до уровня, оговоренного нормами.

Одновременно повышение M_крит. позволяет повысить "потолок" скорости самолета с таким винтом со скоростей v ~400 - 500 км/ч до скоростей v ~700 - 800 км/ч и предохраняет лопасти винта от повреждения камнями, поднятыми винтом со взлетно-посадочной полосы при взлете и посадке самолета.

Изобретение относится к авиационной технике и, в частности, касается создания лопастей винтов из композиционных материалов. Лопасть винта содержит перо и комель. Она выполнена из композиционного материала. Перо представляет собой оболочку и лонжерон. Оболочка выполнена в виде замкнутого контура из слоев однонаправленных высокомодульных волокон. Относительное удлинение оболочки составляет λ = 2,9 ... 5,5. Угол саблевидности пера по передней кромке при относительном радиусе = 0,7 равен χ = 35...42^o. Оболочка комля выполнена с расположенным в ней заполнителем из композиционного материала. Оболочка комля имеет винтовую нарезку с числом витков от 4 до 5. Их шаг составляет от 0,16 до 0,29 диаметра комля, угол профиля впадины нарезки составляет от 90 до 120^o. Радиус закругления вершин и впадин профиля нарезки равен от 0,11 до 0,14 от шага. Внешняя поверхность оболочки комля на участке нарезки содержит слой высокопрочной резины. Технический результат реализации группы изобретений заключается в увеличении прочностного ресурса и повышении надежности лопасти винта из композиционного материала. 2 с.п. ф-лы. 4 ил.

1. Лопасть винта, содержащая перо и комель, причем перо представляет собой оболочку и лонжерон, при этом оболочка выполнена в виде замкнутого контура из слоев однонаправленных высокомодульных волокон, отличающаяся тем, что волокна оболочки уложены послойно под углом ± 20...44^o к продольной оси лопасти, относительное удлинение оболочки составляет λ = 2,9...5,5, угол саблевидности пера по передней кромке на относительном радиусе = 0,7 равен κ = 35. . . 42^o, толщина стенки оболочки составляет δ_i = (0,1...0,2) • c_i, площадь поперечного сечения лонжерона F_iлонж = (0,52...0,88) • l_i (мм²), ширина лонжерона в корневой части пера b_лонж = (0,45 ± 0,5) • b_лоп, а на относительном радиусе = 0,7 ширина лонжерона b_лонж = (0,33 ± 0,05) • b_лоп, модуль упругости композиционного материала заполнителя, размещенного в полостях оболочки, составляет Е < 2000 кгс/мм², где b_лоп - ширина лопасти, l_i - расстояние от конца лопасти до данного сечения, c_i - наибольшая толщина профиля пера в i-м сечении. 2. Комель лопасти винта, содержащий оболочку, внутри которой расположен заполнитель, выполненный из композиционного материала, причем оболочка имеет винтовую нарезку, отличающийся тем, что слои волокон композиционного материала расположены эквидистантно профилю нарезки, имеющей от 4 до 5 витков, шаг которых составляет от 0,16 до 0,29 диаметра комля, угол профиля впадины нарезки составляет от 90 до 120^o, радиус закругления вершин и впадин профиля нарезки равен от 0,11 до 0,14 от шага, а внешняя поверхность оболочки на участке нарезки содержит слой высокопрочной резины.